N02-Sistema ternari

Experimentació en Enginyeria Química
EXPERIMENT – N 02
MESURA I REPRESENTACIÓ DE L’EQUILIBRI LÍQUID LÍQUID D’UN SISTEMA TERNARI
1. OBJECTIUS DE L’EXPERIMENT
•
Caracteritzar el comportament a l’equilibri d’un sistema de tres components líquids parcialment
miscibles a pressió i temperatura constants.
•
Determinar quines mescles són homogènies i quines presenten dues fases líquides.
•
Mesurar les composicions de les dues fases en equilibri de les mescles heterogènies.
•
Representar el comportament del sistema mitjançant un diagrama ternari.
2. OBJECTIUS FORMATIUS
En acabar, la persona que hagi realitzat l’experiment haurà de poder:
•
Definir fase i equilibri de fases.
•
Enunciar i aplicar la regla de les fases de Gibbs.
•
Llegir i representar composicions en un diagrama ternari.
•
Identificar en un diagrama ternari els parells de components totalment miscibles.
•
Explicar el significat i de la línia isoterma d’un diagrama d’equilibri de tres components.
•
Utilitzar el corresponent diagrama ternari per saber si una mescla donada serà homogènia o no.
•
Explicar què són les línies d’unió (o repartiment) d’un diagrama d’equilibri de tres components.
•
Utilitzar les línies d’unió per trobar la composició de les dues fases d’una mescla heterogènia.
•
Explicar com es determina indirectament la composició de les fases en equilibri a partir de la
mesura de només una les tres fraccions de cada fase (mètode analític) i a partir de la mesura de
les masses inicials i de cada fase (mètode màssic).
3. FONAMENT
Fase: [1868; del gr. phásis 'aparició d'un astre', der. de phaíno 'aparèixer', aplicat primer a les fases
de la lluna] (...) 3. FÍS /QUÍM Part d'un sistema, formada per un nombre qualsevol de components,
homogènia i amb uns límits ben determinats que la separen de les altres parts del sistema i de la
resta de l'univers. (http://www.grec.net/cgibin/lexicx.pgm?LEM=1&GECART=Fase)
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
Miscible: [del b. ll. miscibilis 'que pot ser barrejat', der. de miscere 'barrejar'] adj QUÍM FÍS Dit d'alguns
líquids i algunes substàncies que tenen la propietat de poder-se mesclar en totes proporcions,
formant una fase homogènia. (http://www.grec.net/cgibin/lexicx.pgm?LEM=1&GECART=Miscible)
En condicions d’equilibri, un sistema de dos components, presenta una sola fase homogènia si els
dos components són miscibles (aigua i etanol) o bé dues si els components són immiscibles (aigua i
oli). Evidentment, aquestes són situacions extremes i, en general, trobarem parells de líquids
parcialment miscibles. En aquest casos un líquid pot dissoldre fins una certa quantitat de d’un altre
sense que es formin dues fases, i a l’inrevés. Aquesta solubilitat d’un líquid en un altre es pot veure
alterada per un tercer component, a més a més de per la pressió i la temperatura.
En condicions d’equilibri, un sistema de tres components amb dos de ells parcialment solubles
(miscibles) presenta dos tipus de comportaments diferenciats, un en que hi ha una única fase i un
altre en el qual la mescla se separa en dues fases. El cas d’una fase només és possible per a un cert
conjunt de composicions; per a la resta apareixeran dues fases. En aquest darrer cas, la composició
d’una fase estarà relacionada amb la de l’altra y tampoc seran possibles totes les composicions.
L’estudi de l’equilibri líquid-líquid consisteix en la determinació de totes aquestes relacions, les quals
es poden representar adequadament en un diagrama triangular.
Així, en el sistema que s’estudiarà, un dels components (àcid acètic) és completament miscible en
estat líquid amb els altes dos (aigua i cloroform), però aquests dos són només parcialment miscibles
entre ells en estat líquid.
4. INTRODUCCIÓ TEÒRICA
•
Un sistema de tres components té com a màxim quatre graus de llibertat –segons la regla de les
fases.
•
Llavors, per a construir un diagrama en dues dimensions d’aquest sistema, cal mantenir constants
dues propietats intensives.
•
Pressió i Temperatura s’acostumen a mantenir constants i llavors queden com a variables les
fraccions molars (o els tants per cent en pes) de dos dels tres components.
10
0
10
0
80
80
60
%
%
sA
pe
pe
sA
60
40
40
M
20
B
20
0
0
0
20
40
60
80
100
C
%pes C
Figura 1. Diagrama de fases d’un sistema de tres components a pressió i temperatura
constants a un triangle equilàter (isomètric).
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
2/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
A
100
% pes A
80
60
40
M
20
0
B
0
20
40
60
80
100
C
% pes C
Figura 2. Diagrama de fases d’un sistema de tres components a pressió i temperatura
constants a un triangle rectangle fet amb Excel.
•
El diagrama en dues dimensions que s’acostuma a utilitzar és el d’un triangle equilàter (figura 1).
•
Un triangle rectangle és també admissible i és fàcil de dibuixar amb Excel (figura 2).
•
Cada vèrtex representa, respectivament, un component pur (XA=1,XB=1 o XC=1).
•
Els costats representen les mescles de dos components; per exemple, el costat que uneix els
vèrtexs A i B, representa les mescles binàries dels components A i B (per a les quals XC=0).
•
Qualsevol punt de l’interior del triangle (M) representa una mescla dels tres components.
•
Per a obtenir la seva composició, es traça al punt M una recta paral·lela al costat oposat al vèrtex
A i el punt de tall amb el costat AB (o AC) dóna la fracció de component A que té la mescla M.
•
El punt de tall de la línia paral·lela al costat oposat al component C pel punt M amb el costat BC
dona el tant per cent en pes de component C a la mescla M.
En el sistema que s’estudiarà hi haurà mescles dels tres components que formaran una única fase
líquida i d’altres que es separaran en dues fases líquides en equilibri. La corba que separa la zona on
hi ha una fase de la que n’hi ha dues, s’anomena línia isoterma o corba binodal. Si una mescla se
separa en dues fases, la composició de les fases ve donada per dos punts de la isoterma (cada fase,
per separat, és única i, per tant, s’ha de trobar a la zona d’una sola fase, encara que al seu límit). La
recta que uneix els dos punts (línia d’unió) ha contenir el punt corresponent a la mescla.
5. SEGURETAT I MEDI AMBIENT
•
Consulteu les fulles de seguretat dels reactius indicats a l’apartat 6.
•
Presteu especial atenció als taps dels embuts de decantació durant el procés d’agitació per tal de
no perdre matèria.
6. REACTIUS
Taula 1. Llista de reactius.
Producte
Qualitat
Cloroform
PRS
Aigua
desmineralitzada
Àcid acètic
PRS
Hidròxid sòdic
PRS
Hidrogen ftalat de potassi
PA
Quantitat
Solució de fenolftaleïna
Acetona (per a netejar)
PRS
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
3/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
7. MATERIAL
Taula 2. Llista de material.
Quantitat
Element
Característiques
1
Ampolla de color fosc
1L
1
Balança
Precisió ± 0.0001 g
3
Bureta
25 mL
1
Comptagotes
3
Embut de decantació
Erlenmeyer
250 mL, 100 mL
Erlenmeyer amb tap
Espàtula
1
Pera
1
Pipeta
2 mL
Pipeta
5 mL
3
Pipeta graduada
25 mL
2
Pipeta graduada
10 mL
1
Vareta de vidre per agitar
Vas precipitats
1
600 mL
Vidre de rellotge
8. PROCEDIMENT EXPERIMENTAL
8.1. Determinació de la línia isoterma
Les taules 1 y 2 proposen 14 mescles. Pot ser suficient fer-ne només 7, escollides entre les
d’ordre parell o senar. També es poden fer mescles de composició intermitja a les indicades.
1.
Per cada una de les mescles de la taula, introduïu els corresponents volums d’àcid acètic i
cloroform indicats a la Taula 3 en un Erlenmeyer de 100 mL.
2.
A continuació afegiu aigua a la mescla, gota a gota, utilitzant una bureta fins que la solució
esdevingui tèrbola (s’ha d’anar agitant contínuament l’Erlenmeyer mentre s’introdueix l’aigua).
En aquest moment, la terbolesa indica que el sistema presenta dues fases.
3.
Anoteu el volum d’aigua afegit.
4.
Repetiu el mateix procediment amb la resta de mescles indicades a la Taula 3.
Tingueu en compte que la quantitat d’aigua que cal afegir augmenta progressivament.
5.
Repetiu el mateix procediment amb les mescles indicades a la Taula 4.
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
4/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
Tingueu en compte que cal afegir cloroform en comptes de aigua i que la seva quantitat va
disminuint progressivament.
Taula 3. Volums de àcid acètic i cloroform que s’han de mesclar. Tram ascendent.
Mescla V àcid acètic (cm3) V cloroform (cm3)
1
5.2
14.8
2
7.5
12.5
3
9.7
10.3
4
11.7
8.3
5
13.6
6.4
6
15.3
4.7
7
17.0
3.0
Taula 4. Volums d’àcid acètic i aigua que s’han de mesclar. Tram descendent.
Mescla V àcid acètic (cm3) V aigua (cm3)
8
11.8
8.2
9
10.0
10.0
10
8.3
11.7
11
6.6
13.4
12
5.0
15.0
13
3.3
16.7
14
1.6
18.4
8.2. Determinació de les línies d’unió
Per determinar les línies d’unió cal conèixer els dos punts del diagrama que representen la
composició de cada una de les dues fases en les qual se separa una mescla. La línia que uneix
aquests dos punts haurà de contenir el punt que representa la composició inicial (total) del sistema.
Per fer això, primer es prepararà un conjunt de mescles bifàsiques (7.2.1), se separaran les fases per
decantació i es determinaran les composicions de cada fase segons algun dels procediments que
s’expliquen més endavant (7.2.2 i 7.2.3).
8.2.1. Preparació de mescles bifàsiques
Agafeu l’embut de decantació i afegiu les quantitats de cloroform, àcid acètic i aigua corresponents a
les mescles de la Taula 5. Tapeu l’embut i agiteu el seu contingut durant 30 minuts.
NOTA: La taula 5 proposa 6 mescles. Es suficient fer-ne només 3, escollides entre les d’ordre
parell o senar. També es poden fer mescles de composició intermitja a les indicades.
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
5/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
Taula 5. Volums dels tres components que s’han de mesclar.
Mescla V àcid acètic (cm3) V cloroform (cm3) V aigua (cm3)
1
8.7
16.5
36.5
2
12.6
15.0
34.6
3
16.5
13.5
32.7
4
20.3
12.0
30.9
5
24.2
10.5
29.0
6
28.1
9.0
27.1
Deixeu que se separin completament les dues fases (20 minuts aproximadament).
8.2.2. Procediment Analític
Un cop preparades les mescles en els corresponents embuts de decantació i assumint que s’ha
arribat a l’equilibri, cal procedir a la determinació de la concentració d’àcid acètic de cada una de les
fases seguint el següent procediment. La preparació de la solució d’hidròxid sòdic per fer la valoració
es pot fer seguint el procediment indicat a l’annex.
Fase Inferior
1.
Aboqueu la fase inferior a l’Erlenmeyer amb tap (s’ha de procurar treure la màxima quantitat
possible, sense que passi res de la capa superior).
2.
Agafeu aproximadament 5 mL d’aquesta fase amb una pipeta (cal tapar de seguida aquest
Erlenmeyer, perquè la capa inferior és molt volàtil) i fiqueu-los en l’Erlenmeyer de 100 mL
prèviament tarat.
3.
Peseu l’Erlenmeyer amb la mostra (la diferència amb la tara serà el pes de mostra).
4.
Afegiu uns 25 mL d’aigua i 3 gotes de solució de fenolftaleïna.
5.
Valoreu la mostra amb una solució d’hidròxid sòdic de concentració convenient (cal agitar
amb força la solució perquè l’àcid acètic es vagi extraient de la fase orgànica).
6.
Anoteu el volum afegit.
Fase Superior
Per analitzar la capa superior, procediu de la mateixa manera (es poden agafar les mostres
directament de l’embut de decantació), amb l’única diferència que quan s’analitzi la capa superior
només s’ha d’agafar aproximadament uns 2 mL d’aquesta per a fer la valoració.
Resta de Mescles
Repetiu el mateix procediment amb les mescles 2 i 3.
8.2.3. Procediment màssic
1.
Aboqueu tota la fase inferior (sense que passi res de la superior) a l’Erlenmeyer amb tap
(prèviament tarat amb tap).
2.
Tapeu (la fase orgànica es molt volàtil).
3.
Aboqueu tota la fase superior a un altre Erlenmeyer (també tarat amb tap).
4.
Peseu els dos Erlenmeyers tapats. La diferencia amb les seves tares respectives serà la
massa de la fase corresponent.
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
6/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
9. RESULTATS
9.1. Determinació de la línia isoterma
•
Calculeu els tants per cent en pes d’àcid acètic, cloroform i aigua que té el sistema a partir dels
volums respectius i les densitats dels tres components (Taula 6)
Taula 6. Densitats dels components purs.
Component ρ (g · cm-3)
•
Aigua
0.9982
Cloroform
1.4832
Àcid acètic
1.0492
Representeu aquests percentatges al diagrama d’equilibri (línia isoterma).
Dades per completar el traçat de la isoterma:
· Solució saturada de cloroform en aigua: 99.2% en pes d’aigua.
· Solució saturada d’aigua en cloroform: 1% en pes d’aigua.
9.2. Determinació de les línies d’unió
9.2.1. Procediment analític
•
Determineu sobre el diagrama triangular els punts d’intersecció de la línia isoterma (equilibri de
fases) amb les línies que representen la concentració d’àcid acètic a cada una de les fases.
Només n’hi ha dos, un per cada fase.
Teniu en compte que la capa inferior, la més densa, serà la més rica en cloroform i la capa
superior, la menys densa, la més rica en aigua.
•
Uniu els dos punts dibuixats amb una línia recta (línia d’unió). Si les determinacions estan ben
fetes aquesta línia ha de passar pel punt corresponent a la composició global de la mescla inicial.
•
Trobeu les fraccions màsiques dels tres components a les capes superior i inferior de les diferents
experiències.
9.2.2. Procediment màssic
Per cadascuna de les mescles a la taula 4,
1.
Comproveu que m0 = ms + mi
2.
Plantegeu els balanços de matèria per tal de demostrar:
3.
ys =
m0 y0 − mi yi
ms
(1)
xi =
m0 x0 − ms xs
mi
(2)
Ajusteu les dades d’equilibri de la rama ascendent a una equació del tipus:
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
7/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
1
= a2 ys2 + a1 ys + a0
xs
4.
Ajusteu les dades d’equilibri de la rama descendent a una equació del tipus:
yi = b2 xi2 + b1 xi + b0
5.
6.
(3)
(4)
Amb la composició de la mescla (x0, y0) i les masses de cada fase en que es desproporciona
(ms i mi), calculeu la composició de les fases superior (xs, ys) i inferior (xi, yi). Seguiu el
procediment iteratiu següent:
a.
suposeu un valor de xi,
b.
amb l’equació 4, calculeu yi
c.
amb l’equació 1, calculeu ys
d.
amb l’equació 3, calculeu xs
e.
amb l’equació 2, calculeu xi
f.
substituïu el valor suposat en (a.) per el obtingut en (e.) fins que coincideixen en la
segona xifra decimal. Aleshores els valors xs, ys, xi, yi son la solució de la iteració.
Representeu al gràfic els punts (x0, y0), (xs, ys) i (xi, yi). Comproveu que estan alineats.
10. DISCUSSIÓ DE RESULTATS
•
Interpreteu els resultats obtinguts.
•
Considereu la coherència dels resultats obtinguts.
•
Representeu gràficament
log
y
ys
en funció de log i , comproveu que es aproximadament lineal.
zs
xi
11. CONCLUSIONS
Establiu clarament les conclusions de aquest experiment.
12. QÜESTIONS
•
Per determinar la composició d’una mescla d’n components cal mesurar n-1 composicions, ja que
la darrera composició queda fixada pel fet que la suma de fraccions ha de ser igual a la unitat.
Així, per al sistema ternari caldria conèixer dues de les tres concentracions. Llavors,
1.
Perquè en el procediment analític només cal mesurar la concentració d’àcid acètic per trobar
la composició de la fase?
2.
Perquè en el procediment màssic no es mesura cap concentració?
3.
Quins són els avantatges i els inconvenients de cada un d’aquests procediments?
•
La solubilitat mútua de l’aigua i el cloroform es intrínseca o es conseqüència de la presència de
l’àcid acètic? En absència d’àcid acètic el cloroform i l’aigua són absolutament immiscibles?
•
La fase aquosa s’anomena així perquè en ella hi predomina l’aigua, mentre que a la fase orgànica
hi predomina el cloroform. Vol dir això que a la fase aquosa no hi ha res de cloroform i a la fase
orgànica no hi ha res d’aigua?
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
8/9
N 02
Experimentació en Enginyeria Química
13. NOMENCLATURA
Taula 7. Variables Físico - químiques
Variable
Magnitud
Unitats SI
aj, bj
Coeficients ajust (j = 0, 1, 2)
m
Massa fase
kg
x
Fracció Màsica component A (Cloroform)
%
y
Fracció Màsica component B (Àcid Acètic)
%
z
Fracció Màsica component C (Aigua)
%
Taula 8. Subíndex
0
Mescla inicial taula 5
i
Fase inferior
s
Fase superior
14. VARIANTS
•
Sistemes amb altres components. Quins requeriments han de complir aquests components?
•
Altres mètodes analítics per mesurar la composició del component miscible en ambdues fases.
•
Altres punts de partida (taules 3 i 4) per identificar altres punts de la corba d’equilibri.
•
Altres punts de partida (taula 5) per obtenir altres mescles bifàsiques i, així, altres línies de d’unió.
15. BIBLIOGRAFIA
[1] D. Brennan, C.F.H. Tipper, Manual de laboratorio para prácticas de Físico - química Ed. Urmo, Bilbao. 1970.
[2] F. Daniels, J.H. Mathews, J.W. Williams, Prácticas de Química - Física. Ed. Manuel Marín. Barcelona.
16. ANNEX: PREPARACIÓ D’UNA SOLUCIÓ D’HIDRÒXID SÒDIC 1M
Peseu aproximadament 20 g d’hidròxid sòdic i dissoleu-los en 500 mL d’aigua.
Tot seguit, introduïu la solució resultant en l’ampolla de color fosc i deixeu-la refredar.
Procediment per saber la concentració exacta de la dissolució preparada.
1.
Peseu aproximadament 2.8 – 3.2 g d’hidrogen ftalat de potassi (anoteu la massa exacta).
2.
Introduïu-los en l’Erlenmeyer de 250 mL i dissoleu-los amb 100 mL d’aigua aproximadament.
3.
Afegiu 3 gotes de solució de fenolftaleïna.
4.
Valoreu amb la solució preparada d’hidròxid sòdic, fins viri l’indicador (punt final).
5.
Calculeu la seva molaritat a partir del volum d’hidròxid sòdic afegit.
6.
Repetiu un altre cop aquest procediment.
7.
Feu la mitjana de les dues molaritats trobades.
Ha de ser 1 M, aprox. En cas de que les dues rèpliques difereixen en més de 0.2 M, la mitjana
no es podrà considerar vàlida i caldrà fer una altra determinació.
Mesura i representació de l’equilibri Líquid - Líquid d’ un sistema de tres components.
9/9